TW201428995A - 金屬裝置之磊晶結構 - Google Patents

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TW201428995A TW102144001A TW102144001A TW201428995A TW 201428995 A TW201428995 A TW 201428995A TW 102144001 A TW102144001 A TW 102144001A TW 102144001 A TW102144001 A TW 102144001A TW 201428995 A TW201428995 A TW 201428995A
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Feng-Hsu Fan
Trung Tri Doan
Chuong Anh Tran
Chen-Fu Chu
Chao-Chen Cheng
Jiunn-Yi Chu
Wen-Huang Liu
Hao-Chun Cheng
Jui-Kang Yen
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Semileds Optoelectronics Co
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Abstract

提供一種製造金屬裝置，例如直立的發光二極體(VLED)晶片、電源裝置、雷射二極體、及直立的孔洞表面發射雷射裝置的方法。據此製造之裝置具有較大之產量，且效能優於習知的金屬裝置，例如發光二極體的亮度較高、熱傳導度增加。此外，此種技術可適用於具有高散熱率，且具有已被移除之原本非(或低)導熱及/或非(或低)導電載具之金屬板之情形下的GaN基底的電子裝置。

Description

金屬裝置之磊晶結構
本發明之實施例大致上是關於一種金屬裝置，例如發光二極體(LED)、電源裝置、雷射二極體、及直立的孔洞表面發射裝置，及其製造方法。
微電子裝置，例如金屬裝置，對於我們之日常生活扮演著重要的角色。舉例而言，LED存在普遍之應用中，例如手機、家電、及其他電子裝置。近年來，光電對於應用範圍在從影像顯示器到光學儲存器到發光及醫學儀器的氮化物基底的半導體材料(例如，具有氮化鎵或是GaN)的需求大幅增加。
傳統的藍光LED是以具有氮化物，例如GaN、AlGaN、InGaN、及AlInGaN的複合半導體材料形成的。這些發光裝置的大部份半導體層是磊晶成長在非導電的藍寶石基板上。
本發明之一實施例提供一種半導體晶片。此半導體晶片包括一金屬基板、設置在該金屬基板之上的一磊晶結構及覆蓋該磊晶結構之側表面之一非導電材料。磊晶結構包括耦合於金屬基板之p摻雜層及設置在p摻雜層上的n摻雜層。
本發明之另一實施例提供一種直立的發光二極體(VLED)晶片。VLED晶片包括一金屬基板、設置於該金屬基板上的一磊晶結構及非導電材料，非導電材料圍繞於n-GaN層的上表面及耦合於金屬基板的p-GaN層之部份。磊晶結構包括耦合於金屬基板的p-GaN層、耦合於p摻雜層用以發光的多重量子井(MQW)層、及耦合於多重量子井的n-GaN層。
本發明之又又一實施例提供一種半導體晶片。此半導體晶片包括一金屬層、耦合於金屬層之一p摻雜層、設置於p摻雜層上的多重量子井層及至少覆蓋多重量子井層側表面之一部份的非導通性材料。
本發明之又一實施例提供一種晶圓組件。此晶圓組件包括一基板、設置於基板上的複數個磊晶結構、及覆蓋複數個磊晶結構側表面的非導電材料。各個磊晶結構包括耦合於基板的n摻雜層、及設置於n摻雜層上的p摻雜層。
本發明之又一實施例是一種金屬裝置之磊晶結構之製作方法。此方法包括設置包含複數個半導體晶片形成於載具上之晶圓組件，晶片係藉由形成於晶片之間的渠道分開，並具有耦合於載具的n摻雜層、及設置在n摻雜層上的p摻雜層；以非導電材料填充渠道區域之一部份；及在複數個半導體晶片上形成金屬板，以使非導通材料至少在形成時，維持金屬板在複數個半導體晶片的p摻雜層的最大高度或更高的高度。
本發明之又另一實施例是一種金屬裝置之磊晶結構之製作方法。此方法包括設置包含複數個VLED晶片形成於載具上之晶圓組件，VLED晶片係藉由形成於晶片之間的渠道分開，並具有耦合於載具的n摻雜層、設置在n摻雜層上用以發光的多重量子井層、及設置於多重量子井層之上的p摻雜層；以非導電材料填充渠道區域之一部份；及在複數個半導體晶片上形成金屬板，以使非導通材料至少在形成時，維持金屬板在複數個VLED晶片的p摻雜層的最大高度或更高的高度。
1‧‧‧藍寶石
2‧‧‧基板
3‧‧‧裝置
4‧‧‧鏡子
5‧‧‧非導通材料
6‧‧‧p-GaN
7‧‧‧n-GaN
8‧‧‧多重量子井層
9‧‧‧絕緣層
10‧‧‧金屬層
11‧‧‧脈衝雷射
100‧‧‧晶圓
200‧‧‧晶圓
300‧‧‧晶圓
400a‧‧‧晶圓
400b‧‧‧晶圓
400c‧‧‧晶圓
400d‧‧‧晶圓
500a‧‧‧晶圓
500b‧‧‧晶圓
500c‧‧‧晶圓
600a‧‧‧晶圓
600b‧‧‧晶圓
600c‧‧‧晶圓
700‧‧‧晶圓
800a‧‧‧晶圓
800b‧‧‧晶圓
900‧‧‧晶圓
1000‧‧‧處理
1002‧‧‧在藍寶石基板上形成磊晶結構(EPI)：n-GaN/MQW/p-AlGaN/GaN
1006‧‧‧選擇性地在EPI頂部形成鏡子
1008‧‧‧以絕緣層覆蓋渠道
1010‧‧‧從渠道選擇性地移除絕緣層之部份
1012‧‧‧以非導通材料填充渠道
1014‧‧‧選擇性的移除非導通材料
1016‧‧‧沉積一或多個金屬層至所欲厚度
1018‧‧‧將藍寶石基板分開磊晶晶圓組件
1020‧‧‧選擇性地，從渠道移除任何存在的材料
1022‧‧‧分開晶片，封裝
圖1為本發明實施例之晶圓沉積於載具上的磊晶結構的橫剖面示意圖。
圖2為本發明實施例之以裝置之間的渠道區域定義出的裝置示意圖。
圖3為將圖2的磊晶結構加上鏡子後之示意圖。
圖4a-d為將圖3b之晶圓加上非導電材料之示意圖。
圖5a-c為本發明實施例之非導通材料及絕緣材料的選擇之示意圖。
圖6a-c為本發明實施例之鏡子、絕緣層、及非導通材料的選擇之示意圖。
圖7為本發明實施例之沉積一種金屬或更多個額外的金屬層及導通保護層之示意圖。
圖8a-b為本發明實施例之從晶圓組件移除載具之示意圖。
圖9為本發明實施例之以金屬填充台地部份之示意圖。
圖10為本發明實施例之直立的發光二極體(VLED)裝置的製造方法流程圖。
本發明之實施例對於發光二極體(LED)及其製造技術提供改進，包括較高的產量及較好的效能，例如LED的亮度較高及較佳之熱傳導度。此外，本發明揭露適用於GaN基底的電子裝置，例如直立的發光二極體(VLED)裝置、電源裝置、雷射二極體、及直立的孔洞發射雷射裝置，其中金屬裝置之散熱速度很高、且金屬裝置具有原本已被移除之非(或是低)熱導通及/或是非(或是低)電導通載具的製造技術之改進。
參照圖1，晶圓100包含載具。儘管載具可以由藍寶石、碳化矽(SiC)、矽、鍺、氧化鋅(ZnO)、或是砷化鎵(GaAs)組成，但此處所設置之範例指的是由藍寶石組成之載具。可以形成具有n型GaN層、以InGaN/GaN形成之一或更多個量子井、及p型AlGaN/GaN層的多重層磊晶結構(EPI)。儘管n型層及p型層可以包含不同的複合半導體材料，例如GaN、AlGaN、InGaN、及AlInGaN，以下將描述n型層及p型層。
現在參照圖2，可以使用不同的方法定義出一或多個裝置，裝置利用使用直接切過p-n接面及有可能切過載具的處理，如200所示。這些方法是熟知本技術人員已知的方法，在此不會再描述。
現在參照圖3、4a-d、5a-c、及6a-c，可以在p-GaN 6的頂部形 成鏡子4以作為光子的反射器。作為範例的鏡子4可以由多重層組成，例如Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ti/Ag/Ni/Au、Ag/Pt、或是Ag/Pd、或是Ag/Cr，使用包含Ag、Au、Cr、Pt、Pd、或是Al的合金。選擇性地，鏡子4可以在形成絕緣層9之後再形成，如圖6a-b，為了要保護接面區域。在此情況中，鏡子4可以在從不欲之區域部份移除絕緣層9之後再形成。圖3、4a-d、及6a-c顯示形成磊晶晶圓組件之上的鏡子4之各種不同方法。
在從不想設置之區域移除絕緣層9之部份後，一或更多個亦為熱導通層的電性絕緣層(以下稱為絕緣層)可形成在接面之頂部以保護接面。對於某些實施例而言，如圖6a-b所示，鏡子4和絕緣層9可以用以下步驟來定義：(i)沉積絕緣層9；(ii)形成遮罩層；(iii)使用溼蝕刻或是乾蝕刻以移除p-GaN 6層頂部之絕緣層9部份；(iv)沉積鏡子4；及(v)接著，挖起遮罩層，以便把鏡子4留在暴露出的p-GaN 6頂部。
一或更多個亦為熱導通層的非導電層(以下稱為非導通材料)可以用於填充渠道，也就是在定義出的裝置之間的區域，並覆蓋磊晶結構之側表面的至少一部份。側表面可以定義成磊晶結構的不同層之沿著渠溝的側邊表面(例如，非水平的表面)。以非導通材料5填充渠道可以優異地減少、吸收、或是停止可能會在分開磊晶晶圓組件時損害電子裝置的潛在破壞性力量的交互作用(例如，紫外(UV)光吸收或是雷射引發的衝擊波)。舉例而言，用於填充渠道的非導通材料5可以是有機材料，例如環氧化物、聚合物、聚醯亞胺、熱塑性塑膠、及溶膠凝膠。亦可使用光感性有機材料，例如SU-8、NR-7、或是AZ5214E，所以可以不使用遮罩來定義材料。非導通材料5亦可以包含無機材料，例如SiO2、ZnO、Ta2O5、TiO2、HfO、或是MgO。填充渠道的非導通材料5亦覆蓋p-GaN 6，以作為更進一步保護主動區的層(見圖5a-c)。非導通材料5可以是在多重層的鏡子4之上、或是與多重層的鏡子4共平面。
對於某些實施例而言，絕緣層9可以單獨使用或是聯合非導 通材料5使用。或者，非導通材料5亦可如未顯示絕緣層9的圖5c般單獨使用。此外，參照圖5a，非導通材料5不會完全填充某些實施例的渠溝，在此種情況中，p-GaN可以或是可以不被覆蓋，但是至少多重量子井層8應該被有使用非導通材料5或是絕緣層9其中之一者的實施例的非導通材料5或是絕緣層9覆蓋。
可以在鏡子4的頂部及非導通材料5之上沉積一或多個金屬層(未圖示)，以製造一個厚金屬板，舉例而言，金屬層10可以是單一層或是多重層。在金屬層10是多重層構造的情況中，可以形成具有不同組成(例如Cu、Ni、Ag、Au、Co、Cu-Co、Cu-Mo、Ni/Cu、Ni/Cu-Mo及其合金)的複數個金屬層，這些金屬層可以使用不同的方法形成。各個金屬層之厚度是大約10μm~400μm。
使用不同的技術，較佳者為雷射操作，使製造在磊晶晶圓組件之上的電子裝置可以從基板分開，如圖8a-b所示。可以藉著不同的處理來完成分開，例如脈衝雷射輻射、基板及GaN之間的介面層之選擇性光強化化學蝕刻、基板之溼蝕刻、或是以化學機械研磨的拍打/研磨。
對於某些實施例而言，可以從基板上分開製造在磊晶晶圓組件之上的電子裝置，如圖8a所示，使用脈衝雷射輻射操作。製造此種裝置以盡量避免在分開時的GaN裝置損害(例如破碎)。即使電子裝置可能仍然固定在並未從基板完全移除磊晶晶圓組件之處，還是可以使用脈衝雷射輻射來解體基板上的GaN的介面層及/或是從基板移除電子裝置。
使用脈衝雷射輻射的GaN分開可能會造成GaN解體成Ga及N2，為了要盡量避免N2電漿爆發，GaN的脫落只花費幾奈秒。兩個雷射束產生的光吸收及衝擊波可能會重疊在渠道區域。如圖8a所示，較暗的區域表示雷射脈衝，可能會特別在基板重合，以使雷射操作盡可能延伸至渠道。
對於一些實施例而言，非導通性材料可以優異地減少、吸收、或是停止在從基板分開裝置時可能會潛在地傷害相鄰的電子裝置的交互作用力(例如，UV光吸收或是雷射引發衝擊波)，如此處 之圖8a所述。在某些例子中，即使重合係為典型上之不欲，移除基板時，非導通材料5之一部份仍會重合於n-GaN 7重新暴露的表面。
在某些實施例中可以單純只是接觸基板而非穿透基板的非導通材料5，如圖9所示，可以選擇是光感性或是非光感性材料(例如聚合物、聚醯亞胺、SU-8、NR-7、AZ5214E、熱塑性塑膠、ZnO、Ta2O5、TiO2、HfO、及MgO)。
從基板分開磊晶晶圓組件之後，可以使用任何適合的技術的結合來切割晶圓(亦即，切割成個別的晶圓晶片)。半導體切割技術是熟知本技藝者皆已知的，此處不再描述。
圖10描繪製造VLED的例示性應用的處理1000。要注意的是，處理1000只是此種處理的其中一個應用，示於處理1000中的步驟可以重新排列，且某些步驟是選用的。處理1000包括設置藍寶石基板及形成磊晶結構於藍寶石基板上的步驟1002，磊晶結構可以包含n-GaN 7/MQW/p-AlGaN/GaN。選擇性地，在步驟1006，可以在p-GaN 6的頂部形成鏡子4。在步驟1008，以絕緣層9覆蓋至少渠道部份。另一更進一步的選擇性是，步驟1006及1008可以顛倒。在步驟1010，可以從渠道選擇性地移除絕緣層9，且在步驟1012中，以非導通材料5填充渠道。非導通材料5可以在步驟1014中被選擇性地移除，接著在步驟1016中，成長一或多個金屬層至所想得到的厚度。另一更進一步的選擇性是，在步驟1020中，從渠道選擇性地移除材料，切割操作發生在步驟1022。切割操作可以使用任何適合的技術。在各個晶片分開之後，即可實施各個晶片的封裝及組裝。
歸因於其金屬基板之高散熱速度，揭露於此的實施例亦可應用於製造GaN基底的電子裝置，例如電源裝置、雷射二極體、及直立的孔洞表面發射雷射裝置。而關於LED，上述之指示可以改善產量、亮度、及熱傳導度。
雖然前述內容係針對本發明之實施例，但在不脫離本發明之基本範圍之內，可以設計本發明之其他及更進一步之實施例，而 其範圍係由以下之申請專利範圍決定。
1000‧‧‧處理
1002‧‧‧在藍寶石基板上形成磊晶結構(EPI)：n-GaN/MQW/p-AlGaN/GaN
1006‧‧‧選擇性地在EPI頂部形成鏡子
1008‧‧‧以絕緣層覆蓋渠道
1010‧‧‧從渠道選擇性地移除絕緣層之部份
1012‧‧‧以非導通材料填充渠道
1014‧‧‧選擇性的移除非導通材料
1016‧‧‧沉積一或更多個金屬層至所欲厚度
1018‧‧‧將藍寶石基板分開磊晶晶圓組件
1020‧‧‧選擇性地，從渠道移除任何存在的材料
1022‧‧‧分開晶片，封裝

Claims (17)

  1. 一種金屬裝置之磊晶結構，包含：一金屬基板；設置於該金屬基板之上之一磊晶結構，該磊晶結構包含：耦合於該金屬基板之一p摻雜層；及設置於該p摻雜層之上之一n摻雜層；覆蓋該磊晶結構之一側表面之一非導電材料；以及配置於該磊晶結構之該側表面及該非導電材料之間的一絕緣層。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料是一有機材料，包含環氧化物、聚合物、聚醯亞胺、熱塑性塑膠、或是溶膠凝膠至少其中之一。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料為一光感性有機材料，包含SU-8、NR-7、或是AZ5214E至少其中之一。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料為一無機材料，包含SiO2、ZnO、Ta2O5、TiO2、HfO、或是MgO至少其中之一。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料並不覆蓋該n摻雜層之一上表面。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料覆蓋該n摻雜層之一上表面之一部份。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料係配置於該金屬基板之一部份之上。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該金屬基板包含Cu、Ni、Au、Ag、Co、或其合金至少其中之一。
  9. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該金屬基板包含一單一層或是多重層。
  10. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該p摻雜層或是該n摻雜層包含GaN、AlGaN、InGaN、或是AlInGaN 至少其中之一。
  11. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，更包含設置於該p摻雜層及該n摻雜層之間之一多重量子井層。
  12. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，更包含設置於該金屬基板及該p摻雜層之間之一反射層。
  13. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該非導電材料覆蓋該反射層之該側表面。
  14. 如申請專利範圍第12項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該反射層包含Ag、Au、Cr、Pt、Pd、Al、Ni/Ag/Ni/Au、Ag/Ni/Au、Ti/Ag/Ni/Au、Ag/Pt、Ag/Pd、Ag/Cr、或是其合金至少其中之一。
  15. 如申請專利範圍第1項所述之金屬裝置之磊晶結構，其中該磊晶結構是一直立的發光二極體晶片、一電源裝置晶片、一雷射二極體晶片、或是一直立的孔洞表面發射裝置晶片。
  16. 一種金屬裝置之磊晶結構，包含：一金屬基板；設置於該金屬基板之上之一磊晶結構，該磊晶結構包含：耦合於該金屬基板之一p-GaN層；耦合於該p摻雜層，用以發光之一多重量子井層；及耦合於該多重量子井層之一n-GaN層；以及一非導電材料，環繞該n-GaN層之上表面以外之該磊晶結構及耦合於該金屬基板之p-GaN層之一部份。
  17. 一種金屬裝置之磊晶結構，包含：一金屬基板；耦合於該金屬基板之一p摻雜層；設置於該p摻雜層之上之一多重量子井層；設置於該多重量子井層上之一n摻雜層；一非導電材料，至少覆蓋該多重量子井層之一側表面；以及配置於該磊晶結構之該側表面及該非導電材料之間的一絕緣層。
TW102144001A 2012-12-04 2013-12-02 金屬裝置之磊晶結構 TW201428995A (zh)

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